ＬＸＩ和ＧＰＩＢ編程儀器通用接口設計范文
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摘要：如果開發出可編程臺式儀器通用接口模塊，那么只要更換儀器功能模塊便可迅速實現各類可編程臺式儀器。目前LXI和GPIB是這類儀器常用接口，且兩種接口各有優勢，鑒于此，本文應用嵌入式系統開發了具有LXI和GPIB的可編程臺式儀器通用接口模塊。介紹了其總體設計方案；移植了boa服務器，實現了LXI總線的Web接口；給出了Linux下GPIB驅動開發方法，其中在中斷服務中提出了頂半部底半部設計思想，引入了非原子隊列實現底半部，提高了驅動運行效率。結合儀器功能模塊進行了測試，此接口模塊工作正常，具有較高的工程應用價值。
關鍵詞：通用接口；LXI；GPIB；TNT48820
引言
如果在研發可編程臺式儀器方面借鑒模塊化儀器思路，將總線接口功能獨立出來，做成通用接口模塊，然后結合儀器功能模塊實現產品，這樣就能縮短研發周期，降低研發成本，同時也方便對儀器進行升級。LXI是LAN面向儀器的擴展總線，此時儀器可以認為是物聯網，此接口模塊又具有GPIB接口，所以一般利用嵌入式系統來滿足多接口多用戶的需求。本文提出了利用S5P4418處理器結合Linux的嵌入式系統來開發通用接口模塊的技術方案。由于boa是小巧高效的Web服務器，支持CGI（Com－monGatewayInterface）并且對Linux兼容性很好，因此通過移植boa來實現LXI協議規定的Web接口，為了能夠實現Linux下GPIB驅動，給出了開發方法。但有了操作系統就會存在系統中斷信號、進程間分配調度等情況，這樣就帶來了儀器監聽命令實時性有時降低的問題，所以在GPIB中斷服務中提出了頂半部底半部設計思想，引入了非原子隊列實現底半部，增加了驅動運行效率，監聽命令實時性有時降低的情況得到了一定改善。
1通用接口模塊總體設計
具有LXI和GPIB的可編程臺式儀器接口模塊硬件系統除了要有LAN接口和GPIB接口外，還要有儀器復位按鈕、儀器狀態指示燈，為此采用嵌入式系統進行構建，具體硬件原理［1］框圖如圖1所示。三星公司的S5P4418基于ARMCortex－A9、主頻為1．4GHz，內部集成了4GB／8GB／16GB的EMMC、SDRAM控制器，支持RTL8211E千兆以太網控制器，擁有5通道UART、4通道DMA、USB主機接口和設備接口及24路外部中斷源。綜合考慮功能和性能需求、成本、功耗等因素，選擇S5P4418作為嵌入式MCU。對于GPIB接口，需要外加一塊GPIB控制器芯片，NI公司提供的TNT4882芯片是一款高速且聽講功能兼備的GPIB接口專用芯片，因此GPIB控制器選擇了TNT4882芯片。圖2接口模塊軟件原理框圖接口模塊軟件系統如圖2所示。由于boa［2］是一個成熟的嵌入式Web服務器，能夠高效依次完成用戶的請求，最為關鍵的是boa支持CGI［3］；CGI是一種Web服務器用戶接口規范，是運行在Web服務器上的一段程序，它能夠實現Web服務器與底層操作系統交互，從而可以實現網絡配置［4］，因此利用boa實現Web接口。對于GPIB通信，需要開發出Linux下GPIB驅動程序，主要包括初始化函數、中斷處理函數、讀寫操作函數。
2接口的實現
Web服務器利用boa來實現，但由于通用接口模塊的平臺是基于Linux操作系統和ARM9處理器，所以要對其進行移植。具體方法如下：自帶的makefile文件是針對一般環境，需要對其進行修改，找到CC＝gcc，將其改成CC＝arm－linux－gcc，再找到CPP＝gcc–E，將其改成CPP＝arm－linux－gcc－E。這樣是為了把編譯器指定為Linux和ARM處理器平臺下的，最后在終端的目錄src下輸入make命令，并輸入arm－linux－stripboa剝去調試信息，生成boa執行文件。在配置文件boa．conf中將bind調用的IP地址綁定到INAD－DR＿ANY；Usernobody修改為User0，Groupno－group修改為Group0，需建立／var／log／boa目錄，UseLocaltime使用本地時間，ServerName為服務器名字，此參數必須賦值，DocumentRoot需要設置成自己的HT－ML文檔的主目錄；DirectoryIndex為HTML目錄索引的文件名，一般寫index．html。如果DirectoryIndex不存在，該目錄必須是boa能讀寫，一般填／var／spool／boa／dircache，KeepAliveTimeout為HTTP持續作用中服務器在兩次請求之間等待的時間數，超時將關閉連接，可以根據自身需求設定；需要指明mime．types文件位置；CGI－Path〈string〉提供CGI程序的PATH環境變量值，可寫／bin：／usr／bin：／usr／local／bin；ScriptAlias〈／cgi－bin／〉非常重要，指明CGI腳本的虛擬路徑對應的實際路徑。
3Linux下GPIB驅動開發
3．1初始化函數設計
初始化函數需要完成向內核注冊GPIB驅動［5］、GPIB控制器的寄存器硬地址映射［6］到內存、啟動TNT4882［7］芯片工作，要對實現讀寫互斥的信號量和實現阻塞的等待隊列進行初始化。由于在中斷處理函數中引入了非原子隊列，在這里也需進行初始配置。具體開發方法如下：向內核注冊GPIB驅動直接調用內核提供的register＿chrdev函數；映射是通過調用內核函數ioremap來實現的，此函數第一個參數需要設置為TNT4882芯片的首地址，TNT4882芯片的首地址由硬件設計的片選信號線決定，函數返回內存映射首地址，因為芯片手冊給出了每個寄存器的偏移量，這樣TNT4882的首地址加上偏移量就可以得到每個寄存器在內存的地址，然后就可以對TNT4882芯片使能。具體流程為：將TNT4882芯片中的Turbo電路復位，并將TNT4882設置成Turbo＋7210式，同時設置成單芯片模式，使能Local＿PowerOn信號，設置TNT4882的GPIB主地址，將副地址取消以及對GPIB握手參數進行配置開始GPIB操作，讀寫操作可能會同時訪問同一資源，這種情況就變成了臨界區，會產生競態，導致系統內核的崩潰，信號量就是產生互斥的機制，信號量在使用前要對其進行初使化，通過調用內核函數init＿MUTEX完成；對于中斷響應，如果任務需要耗時比較長，可以把中斷處理分割為頂半部和底半部，頂半部只用來響應中斷，從而快速完成中斷響應，而底半部單獨進行任務的處理，非原子隊列開辟內核進程還支持休眠，底半部利用非原子隊列處理任務，這樣使中斷處理部分變成內核進程，可以和用戶態進程同時執行，從而提高驅動效率，使用前，它通過調用init＿WORK函數完成初始化；阻塞可以讓進程睡眠，進程在運行時如果需要等待另一個事件來到才能繼續運行，這種情況可以用阻塞來使進程睡眠，由于應用層的進程需要等待數據來到才能繼續處理，所以在內核的讀函數里需要添加阻塞，內核提供了等待隊列機制，使用前調用內核函數init＿waitqueue＿head進行初始化。圖3中斷函數流程圖
3．2中斷服務設計
GPIB主設備發來注意命令（ATN），TNT4882產生中斷，在GPIB接口處是已遠控使能（REN）和聽者作用狀態（LACS），那么GPIB接口就準備接收數據。如果GPIB接口處是已遠控使能和講者作用狀態（TACS），那么GPIB接口就可以發送數據。中斷函數流程圖如圖3所示，具體開發方法如下：request＿irq［8］函數是Linux字符設備驅動中斷注冊接口，利用此函數將中斷服務注冊到內核里，中斷號配置成硬件原理圖占用中斷向量表的中斷號，將參數＊device獲取的GPIB設備名記錄在／proc／inter＿rupts文件中，分割中斷，利用中斷響應屬性flags將中斷底半部分割運行，把TNT4882中斷使能寄存器中有關的ATN、REN、LACS、TACS利用內核函數iowrite8全部使能，在中斷服務程序中，讀TNT4882中斷響應信息寄存器的信息，出現與LACS相同的值后，調用收操作，出現與TACS一致的值，調用發操作。對于收操作和發操作，自定義了兩個函數（shortRe－ceive（void）和shortSend（void））來實現，在接收操作方面，因TNT4882的FIFO為16字節深，不僅提供了它的全滿標志位，而且還提供了半滿標志位，本設計中沒有使用傳統的全滿位作判斷位，而是利用了FIFO半滿位。好處是，FIFO中數據取到內核緩沖區和FIFO繼續接收數據可以同時進行，如果用全滿位，則只有滿了將數據取走后，有了空間FIFO才能收數據，因此這樣可以提高數據接收速率。Receive函數實現具體是：在傳輸寄存器里配置傳輸參數，完成設置后，再用ioread8函數讀取該寄存器傳輸準備位，傳輸就緒后，最后使能傳輸工作位；設置收到字符計數變量，判斷中斷使能寄存器的聽狀態位，出現聽狀態以及FIFO已經超過了半滿，然后循環從FIFO中取數，聽狀態結束，FIFO中還存在數據，用ioread8函數將數據全部接收，結束收流程。在發送操作方面，它不像收操作直接調用Receive函數，而是間接調用。通過調用非原子隊列來調用發函數，這樣隊列和用戶態的進程可同時運行，從而使驅動開銷時間減少，提高了運行效率。用creat＿workque創建隊列，將該創建的隊列賦給queue＿work函數第一個參數，將Send函數指針賦給queue＿work函數第二個參數，從而將Send函數插入隊列，并將workque＿struct類型的結構體變量中的屬性成員配置成非原子操作，中斷服務程序運行到queue＿work接口處，內核將自動開辟進程執行Send函數。Send函數實現具體是：進行傳輸初始化，初始化過程與Receive函數一樣，設置要傳輸字符計數變量，讀取FIFO狀態寄存器，判斷是否FIFO為滿，不為滿時往里面循環傳輸數據，直到計數變量到達此次發送字符數，退出發送操作，在發送完畢后一定要對開辟線程做結束處理，通過調用內核函數destroy＿workqueue完成。
3．3設備文件操作—讀寫函數設計
read和write是Linux字符設備驅動標準接口，其完成用戶態和內核態數據交互，在read和write里分別調用內核的copy＿to＿user和copy＿from＿user函數來實現。對于讀寫操作，需要實現互斥，這里采用Linux內核機制信號量來完成。具體實現方法是：設置一個驅動全局變量為信號量，通過內核宏MUTEX將初始值置為1，在read和write的入口處［9］調用內核函數down，將信號量的值變0，結束處調用up函數再使信號量的值恢復。這樣讀寫操作有一個操作進入了臨界區，取走了信號量，類似上了鎖，另一個操作將無法訪問，只有一個操作完成，還了信號量，另一個操作才能訪問臨界區，從而實現了互斥。除此之外，為了實現應用程序在數據沒有到來的時候能夠被掛起，內核的讀函數還要實現阻塞。具體實現的思路是：在讀函數里的開始處可以通過調用wait＿event＿in－terruptible函數來使讀函數進入睡眠狀態，但要注意wait＿event＿interruptible要放到down函數前面，否則會產生死鎖，在GPIB中斷函數是已遠控使能和聽者作用狀態結束處通過wake＿up＿interruptible函數來喚醒睡眠狀態，這樣就實現了讀阻塞。
4測試與驗證
接口模塊上電開機，把描述儀器信息的HTML文檔放置到Web服務器的主目錄下，在上位機IE瀏覽器輸入接口模塊的IP地址192．168．0．224，便可訪問到儀器信息，如圖4所示，測試表明Web服務器工作正常。對于GPIB驅動器的測試，接口模塊結合上儀器模塊，在上位機打開GPIB調試軟件GPIB資源管理器和網口調試軟件SOCKET通信助手，通過以上兩個應用程序向儀器發送命令，從圖5中可以看到命令結果正常返回，說明GPIB驅動工作正常。
5結語
為了能夠快速實現各類可編程臺式儀器，利用S5P4418處理器和Linux開發出了具有LXI和GPIB的可編程臺式儀器通用接口模塊。通過移植boa實現了Web接口，并對Linux下GPIB驅動和可編程儀器命令通用解析服務器進行了開發，最終實現了該通用接口模塊。但發現儀器具有操作系統后，帶來了監聽命令實時性有時降低的情況，為了改善這種情況，將GPIB中斷服務分割成頂半部底半部，底半部引入非原子隊列來實現，從而提高驅動運行效率。最后結合儀器功能模塊進行了測試，該通用接口模塊工作正常，達到了預期的工程目標。
作者：趙昕 郭恩全 朱健 單位：中國船舶集團公司第705研究所 陜西海泰電子有限責任公司